一种高强高韧热锻模具用钢及其制备方法与流程

本发明属于模具钢，具体涉及一种高强高韧热锻模具用钢及其制备方法。

背景技术：

1、热锻模具是航空航天、汽车工业、机械设备、国防军工等领域的重要工艺装备，是热作模具钢典型应用领域之一。国外热锻模具成本占锻造成本的8～15％，国内热锻模具成本占锻造成本高达30～40％，热锻模具用钢的产品质量直接影响锻件的生产成本。

2、高耐热热锻模具在使用过程中模具表面需承受600～700℃高温，模腔承受三向压应力，模腔表面与热态坯料发生剧烈摩擦。随着制造业升级，热锻零部件强度不断提高、热锻设备不断升级，对模具材料强韧性、热稳定性、抗热疲劳性等综合性能要求越来越高，如选材不当，必然出现模具模腔塌陷、超差和模具开裂的早期失效问题，影响生产进度，增加生产成本。

3、h13钢是中耐热型热作模具钢代表，因其良好的强韧性、耐磨性及抗热疲劳性，在热锻模、热挤压模、有色金属压铸模等领域应用广泛，最佳使用温度为550℃以下，不满足高强高耐磨的锻件生产要求。3cr2w8v是高耐热型热作模具钢代表，其高温强度高、热稳定性强，在压力机锻模、挤压模、黑色金属压铸模等领域应用广泛，最佳使用温度为650℃以下，但其韧性低、冷热疲劳性能差，易出现模具掉块和脆性断裂，对模具设计、加工精度、装配间隙等方面要求较高，应用受到一定限制。

4、因此，开发一种综合性能优异，适用于600℃以上温度工作的高强高韧的热锻模具用钢及其制备方法具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种高强高韧热锻模具用钢及其制备方法，通过优化合金成分，在保证高强度、高硬度、高韧性的基础上，提高模具钢的回火稳定性和热稳定性，满足复杂、精密、高寿命热锻模具的使用要求。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

3、一种高强高韧热锻模具用钢，其化学成分及质量百分含量为c：0.48～0.55％，si：0.20～0.40％，mn：0.30～0.50％，cr：3.60～4.00％，mo：3.60～4.00％，v：0.30～0.60％，w：0.30～0.60％，nb：0.05～0.15％，p≤0.020％，s≤0.010％，余量为fe和不可避免的杂质。

4、本发明高强高韧热锻模具用钢成分设计符合降cr、si增mo理念，减轻偏析，提高抗热疲劳性和热稳定性，适当降低v含量、增加w、nb含量，提高高温强度、耐磨性和抗回火稳定性。部分元素的作用机理如下：

5、(1)c：c含量是影响钢淬硬性的唯一因素，相对较高的c含量是保证材料强度、硬度和耐磨性的基础。本发明钢中控制c含量范围为0.48～0.55％。

6、(2)cr：在本发明钢中，cr主要作用是保证钢的淬透性，较高淬透性是生产大截面模具材料的必要前提。cr23c6二次碳化物可提高钢的高温强度和耐磨性，但其稳定性不高，且会随着回火温度升高逐渐粗化，降低回火硬度。据此，控制cr含量范围为3.60～4.00％。

7、(3)mo、w：在本发明钢中，mo和w主要作用是强化回火时的二次硬化效果，提高热强性和红硬性。w在提高耐磨性和热稳定性方面作用优于mo，但w含量提高对降低模具钢韧性作用更为明显，因此，当模具材料要求高强性基础上，对韧性有要求的情况下，通常采用高mo低w的成分设计，故控制mo含量范围为3.60～4.00％，控制w含量范围为0.30～0.60％。

8、(4)v、nb：v、nb均是强碳化物形成元素，二次析出的mc型碳化物较为稳定，不易聚集长大，提高钢的固溶强化效果。未熔的v、nb碳化物弥散分布在基体上，对晶界起到强钉扎作用，细化晶粒效果明显，对提高模具钢高强韧性和回火稳定性十分优异。过量的v、nb易在铸态组织中的枝晶间形成共晶碳化物，增加偏析倾向。为保证模具钢可锻性和成分均匀性，控制v含量范围为0.30～0.60％，控制nb含量范围为0.05～0.15％。

9、(5)si：si不是本发明钢的主要强化元素，si含量过高，带状偏析越严重，造成材料各向异性，降低材料塑韧性，因此控制si含量范围为0.20～0.40％。

10、(6)mn：mn不是本发明钢的主要强化元素，通常作为脱氧剂加入，与s有较大亲和力，形成具有一定塑性的mns，降低热脆风险，控制mn含量范围为0.30～0.50％。

11、(7)p：p增加模具钢的冷脆性，强烈降低钢的塑性和冷弯性能，应尽可能降低p含量。高级优质钢p含量控制在≤0.025％，本发明钢旨在获得高强度、高韧性的热作模具钢，对p含量控制提出更高要求，p含量范围为≤0.020％。

12、(8)s：s增加模具钢的热脆性，降低钢的韧性和延展性，mns等非金属夹杂物沿变形方向延展，降低钢的横向力学性能。电渣重熔钢对s含量要求较高，控制本发明钢中的s含量范围为≤0.01％。

13、本发明还提供了上述高强高韧热锻模具用钢的制备方法，其包括如下步骤：

14、(1)熔炼：将配料熔炼，然后经过精炼、真空脱气，浇铸成电极棒；

15、(2)保护气氛电渣重熔：对所述电极棒进行表面修磨或抛丸处理，然后进行保护气氛电渣重熔，得到的电渣锭去应力退火，加热温度650～700℃，保温时间2～4h；

16、(3)高温均质化：对所述电渣锭进行高温均质化处理，加热温度1220～1270℃，保温时间(0.25～0.35)×d小时，d为电渣锭直径cm，之后炉冷至锻造温度1140～1180℃；

17、(4)锻造：始锻温度1080～1140℃，终锻温度850～880℃，锻后风冷至300～400℃，入缓冷坑或埋砂缓冷至≤200℃；

18、(5)超细化处理：对得到的锻材进行超细化处理，正火加热温度1150～1180℃，保温60～90分钟，风冷至室温；

19、(6)球化退火：退火加热温度830±10℃，保温2～3小时，随炉冷至670±10℃，保温3～5小时，炉冷至≤500℃后，出炉空冷，即得。

20、进一步地，所述步骤(1)中，采用电弧炉或中频炉进行熔炼。

21、进一步地，所述步骤(2)中，保护气氛电渣重熔所用渣系配比：氟化钙50-55％、氧化铝18-22％、氧化钙22-26％，氧化镁3-6％、氧化硅0.5-2％。

22、进一步地，所述步骤(4)中，采用三墩三拔、多向锻造方式对电渣锭进行锻造加工，墩粗温度≥1000℃，首次墩粗比≥2，总锻比≥12。

23、对球化退火后的锻材心部取样后进行调质处理，试样尺寸15mm×15mm×60mm，加热温度1120±10℃，保温0.5小时，油淬至室温；回火温度630±10℃，每次回火时间2h，进行二次回火，每次回火后试样冷却至室温。经调质处理后，所述模具用钢回火硬度49～52hrc；加工成10mm×10mm×55mm的标准v口夏比冲击试样，横向冲击功≥9j。

24、本发明提供的模具用钢调质处理后经650℃保温5h后，硬度值下降4hrc以内，650℃保温10h后，硬度值下降7hrc以内。

25、本发明的有益效果在于：

26、(1)本发明通过优化合金成分，在保证钢板高强度、高回火稳定性前提下，韧性进一步提高，可更好的满足热锻模具使用要求。

27、(2)本发明提供的热锻模具用钢650℃保温5h后，硬度值下降4hrc以内，650℃保温10h后，硬度值下降7hrc以内；适用于制备使用温度在600-650℃、进行黑色金属高强度锻件生产的热锻模具。